巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長對氣候的響應

秦　莉，尚華明，蘇佳佳，袁玉江*，張同文，喻樹龍，范子昂，陳　峰，

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆樹木年輪生態實驗室，新疆　烏魯木齊830002；2.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室，甘肅　蘭州730000）

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巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長對氣候的響應

秦莉1，尚華明1，蘇佳佳2，袁玉江1*，張同文1，喻樹龍1，范子昂1，陳峰1，2

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆樹木年輪生態實驗室，新疆烏魯木齊830002；2.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室，甘肅蘭州730000）

摘要：利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南緣的胡楊樣本，建立了該地區胡楊樹輪寬度年表，選用相關函數法結合高臺氣象站歷年逐月降水和溫度（月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫）等主要氣候因子，分析巴丹吉林沙漠西南緣胡楊樹輪對氣候的響應；研究表明，黑泉鄉胡楊樹輪寬度標準化年表與生長季平均氣溫相關較好，具有明顯的正相關關系。而生長季3—9月的平均氣溫與胡楊樹輪寬度年表的相關高達0.629（P<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區胡楊樹木徑向生長的主要限制性因子且具有明確的樹木生理學意義。

關鍵詞：樹木年輪；徑向生長；巴丹吉林沙漠；氣候變化；胡楊（PopuluseuphraticaOliv.）

秦莉，尚華明，蘇佳佳，等.巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長對氣候的響應[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：77-81.

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出：1880—2012年，全球平均地表溫度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）[1]，全球變暖成為不爭的事實，但區域氣候變化仍然存在很大的不確定性，有待進一步研究。近年來，氣候變化、形成原因及其影響已經成為地球科學中最為活躍的研究領域，并取得重大進展。巴丹吉林沙漠位于39°30＇～42°E，98° 30＇～104°N，面積4.9萬km2，是我國第二大沙漠，其地處干旱內陸區，屬于溫帶大陸性沙漠氣候，氣候極為干旱，降水稀少。巴丹吉林沙漠及其周邊地區地形復雜，生態環境脆弱，生態環境對氣候變化的響應極為敏感。在此區域開展氣候變化歷史研究有助于更好地理解青藏高原的演化、山地和峽谷氣候變化、周邊地區土地沙漠化和湖泊退縮的氣候背景，為沙漠和高原山地氣候資源利用和周邊地區沙漠化治理提供理論依據，對當地生態環境保護和社會經濟發展具有重要的現實意義[2]。

目前關于該區域的研究主要集中于地質歷史時期的氣候變遷[3-4]。樹木年輪以其分辨率高、連續性好、樣本分布廣泛和定年準確等特點在古氣候重建以及古環境演變等方面得到較好應用[5-6]。然而樹輪氣候研究大部分集中于山區針葉樹，如借助祁連山區的青海云杉重建巴丹吉林沙漠南緣過去降水變化[2]。在平原地區利用闊葉樹進行樹木年輪氣候方面的研究開展較少，利用位于巴丹吉林沙漠邊緣的胡楊分析過去氣候變化研究更少。胡楊作為內陸干旱荒漠地區唯一的建群樹種，屬于闊葉樹種，樹干高大，樹齡較長，是開展過去氣候與環境變化研究的寶貴材料[7]。巴丹吉林沙漠腹地額濟納旗胡楊與氣候水文關系表明[8]，胡楊徑向生長與3月溫度顯著相關，但主要限制因子為地下水。有學者也分析了黑河下游胡楊對氣候水文因子的響應，研究結果表明，胡楊徑向生長更多反映的是地下水的變化[9-10]。本研究利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南緣的胡楊樹輪樣本，建立了胡楊樹輪寬度年表，分析了胡楊徑向生長對氣候的響應。以期能為研究該地區過去百年氣候變化提供新的資料和手段，為該地區環境保護以及社會經濟發展提供支持和保障。

1　資料和方法

1.1樹輪資料獲取

胡楊（Populuseuphratica Oliv.）是落葉中型喬木，是干旱大陸性氣候環境條件下的樹種，喜光、喜溫暖、耐寒冷、抗干旱、抗鹽堿、抗風沙，為荒漠區河岸林主要建群種。胡楊在全球的分布具有明顯的地理特征，主要分布在30°～50°N之間的亞洲中西部、地中海、北非和歐洲南端的荒漠河流沿岸及湖濱地帶[11]。基于國際樹木年輪庫（IT RDB）的標準，研究團隊于2014年7月在位于巴丹吉林沙漠西南緣的甘肅省張掖市高臺縣黑泉鄉（SBH，99°40＇E，39°32＇N，海拔1315 m）采集胡楊23棵樹共46個樹木年輪樣芯。采樣區建群種為胡楊和檉柳，胡楊林樹齡較小，但為天然林，土壤貧瘠，部分胡楊生長在沙丘上，下墊面植被比較稀疏,樹間競爭較小，林間距一般為10～20 m之間,個別在2～4 m之間，林木之間的郁閉度0.2～0.3。

1.2氣象資料

選用距采樣點最近的高臺氣象站（39°22＇E，99°50＇N，1 333.4 m，1953—2013年）的氣候資料，包括逐月降水和溫度（月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫）（資料來自“中國氣象科學數據共享服務網”http://cdc.cma.gov.cn/），該地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，主要氣候特點冬冷夏熱、晝夜溫差大、日照時間長、降雨量小、蒸發量大，年平均氣溫為7.87℃，多年平均降水量108 mm。高臺縣屬北溫帶干旱氣候（圖1）。

圖1　高臺縣溫度和降水的年變化

1.3研究方法

將樣本帶回實驗室進行晾干、固定、打磨、定年，用輪寬測量儀（精度為0.01 mm）和MeasureJ2X程序完成樹輪寬度測量，剔除在采樣過程中一個斷裂缺輪樣芯，利用國際年輪庫的COFECHA交叉定年質量控制程序進行交叉定年檢驗，確保定年準確[12]。利用winARSTAN程序進行去趨勢，考慮到胡楊樣本年齡普遍偏小，為了總體考慮樹木生長隨年齡變化的特性，本研究選用區域曲線標準化去趨勢方法（RCS）進行去趨勢，以保留更多的低頻變化趨勢,降低因年齡生長速率不同而帶來的影響，研制出樹輪寬度標準化年表（圖2）。由于胡楊樹種為闊葉林,與針葉林相比樹木年輪寬度較寬，加之樣本的時間序列短，因此，在定年過程中僅存在偽輪，尚未見到缺輪，最后進入年表的樣芯為43個。

圖2　樹輪寬度標準化年表和樣本量

采用相關函數分別計算樹輪寬度指數與氣候資料的相關系數，分析限制樹木徑向生長的限制因子。用相關分析法計算不同月份氣候要素組合與樹輪寬度指數的相關關系，找到最佳相關時段并討論其生理意義。

2　結果與討論

2.1年表特征

樹木年輪學理論認為：r1，r2，r3，SNR，ESP和PCA1統計量的數值越大，則表明所選樣本對于群體的代表性越好即序列的共性越強，整個分析中的環境信息含量越大[13-14]。將SBH標準化年表與孫軍艷等[8]和劉普幸等[9]研究的位于巴丹吉林沙漠腹地的額濟納旗和賽罕諾爾胡楊標準化年表對比發現，各項年表特征參數接近，而本研究的巴丹吉林西南緣SBH年表的標準差、樹內相關、信噪比等最高，平均敏感度、一階自相關和樣本對總體的代表性也較高（表1）。因此可以初步推斷，SBH年表可能含有更多的氣候環境信息。從樹輪指數曲線來看（圖2），過去50多年中，樹輪指數在20世紀60年代開始下降，70年代樹輪指數最低，然后逐步上升，2000年以后逐步平穩，該曲線特征與近幾十年來我國西北地區的升溫趨勢較為一致，說明胡楊樹輪年表可能包含一定的溫度信息。為了使高臺縣胡楊樹輪寬度標準化年表序列可靠，年表的起始點采用了子樣本信號強度（SSS）>0.85的樣本量[15]，本研究采用有效年表長度為54 a（1960-2013）的標準化年表進行氣候響應分析。

表1　本研究SBH樹輪年表與額濟納旗兩個胡楊樹輪年表特征對比

2.2年表對氣候的響應分析

采用相關函數分析樹輪寬度年表與氣候要素之間的關系[15]。考慮胡楊生長生理特性，將高臺氣象站的歷年器測資料上年10月至當年9月逐月的降水、月平均氣溫、月平均最高氣溫和月平均最低氣溫作為主要氣候因子，分析胡楊樹輪對氣候的響應。通過計算發現高臺縣胡楊樹輪寬度標準化年表與高臺氣象站降水沒有相關，而與3—9月的單月的平均氣溫均呈顯著的正相關關系，其中與6月平均氣溫相關最好，相關系數最高達0.512（p<0.0001），高臺胡楊樹輪年表同樣與6—9月單月的平均最高氣溫和3—7月單月的平均最低氣溫顯著正相關（圖3）。月份組合相關分析表明，高臺（SBH）胡楊樹輪標準化年表與3—9月平均氣溫相關最好，相關系數高達0.629（p<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區胡楊徑向生長的限制性因子。

2.3胡楊徑向生長對氣候響應的生理學意義

高臺縣地處巴丹吉林沙漠西南緣，黑河流域中下游，黑河發源于祁連山，雖然地處干旱區，但是黑河是河西走廊第一大河流，這為該地區胡楊徑向生長提供了較好的水分條件，采樣點就位于黑河中下游的河岸附近，胡楊本身具有很強的吸水和儲水能力，因此，胡楊樹木生長的水分應該主要來自黑河的徑流。同時，高臺地區年降水量很少，僅有100 mm左右，所以降水不足以成為該地區胡楊樹木徑向生長的限制性因子，所以，本研究所得的降水與樹輪年表沒有相關是可靠的，Liang etal[16]在分析格爾木胡楊樹輪對氣候的響應也認為，很少的降水量不足以成為胡楊徑向生長的限制性因子。

圖3　高臺縣氣象站氣候資料與標準化年表的相關分析

溫度是影響林木生長的重要氣象因子之一[17]。由于它能左右許多直接影響林木生長過程的其他因子，因此，溫度對林木生長的影響不但非常顯著，而且甚為復雜。例如，在溫度過高或過低時，不僅直接影響林木體內的許多代謝過程和生物酶的特性，而且還可通過影響蒸騰、光合呼吸速率和能流等而間接影響林木生長。一般樹木在零上幾度就可進行光合作用，開始生長。光合作用的最低溫度，因樹種而異。多數樹種進行光合作用的最低溫度為5～8℃，最適溫度為25～30℃，最高溫度為40～45℃。溫度過低，光合作用所提供的可用能量，抵不上呼吸作用的消耗，無法維持生長所需的基本生化過程。然而，溫度過高，酶被鈍化，酶控的代謝過程被破壞，并由于高溫引起的高速呼吸而過量消耗碳水化合物。高速蒸騰也使樹木體內水分不足，其結果降低樹木的生長速度[18]。高臺地區3—9月平均氣溫僅僅為15.6℃，3月平均氣溫2.8℃，4月平均氣溫可達10℃，已經達到胡楊樹木生長的氣候條件。而此時黑河上游積雪融化，降水增多，河流水量顯著增加，研究表明，黑河3—9月的徑流量超過全年的80 %[19]，而降水量達到全年的89.4 %，其中，6—9月的徑流量超過全年的65 %，降水量達到70.5 %。此時對于生長于干旱區的胡楊生長來說，河流徑流和降水已經能夠維持樹木正常生長，而溫度成為限制性因子，這一時期，溫度偏高，將促進樹木細胞分裂更加活躍，而這一時期也是樹木徑向生長階段，因此，溫度的增加有利于形成寬輪，反之，如果溫度偏低，細胞分裂速度減緩，這一年就有可能形成窄輪。已有研究表明，胡楊的生長期開始日的日平均氣溫≥5℃[20]，而黑河下游的最早生長日開始為3月8日[21]。因此，3—9月的平均氣溫對巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長起著決定性作用。因此，3—9月的平均氣溫是巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長的限制性因子。

3　結論

通過對巴丹吉林沙漠西南緣的高臺地區胡楊樹木年輪的研究，建立了該地區胡楊樹輪的標準化年表。并將樹輪標準化年表與采樣點附近氣象站的氣溫、降水量以及CRU資料進行了響應分析。結果表明：高臺縣胡楊樹輪寬度標準化年表與高臺氣象站降水沒有相關，而與3—9月的單月的平均氣溫均呈顯著的正相關關系，其中與6月平均氣溫相關最好，相關系數最高達0.512（p<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區胡楊徑向生長的限制性因子。

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RadialGrowth ofPopuluseuphratica Responseto Climate Change at SouthwestEdgeofBadain Jaran Desert

QIN Li1，SHANG Huaming1，SU Jiajia2，YUAN Yujiang1，ZHANG Tongwen1，YU Shulong1，FAN Ziang1，CHEN Feng1，2
（1.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring Physicaland ChemicalResearch ofChina MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring EcologyofXinjiang UigurAutonomousRegion,Urumqi830002，China；2.Key LaboratoryofW estern China’sEnvironmentalSystems（MinistryofEducation），CollegeofEarth and EnvironmentalSciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

AbstractIn this study,we developed a tree-ring width chronology using tree-ring cores ofthe Populuseuphratica which collected from the southwestedge ofBadain Jaran Desertin 2014.Using monthly precipitation, average maximum temperature, mean minimum temperature and average temperature from Gaotai meteorological station, the climate response of tree-ring widths was analyzed.Climate response analysis showed that the temperature during the growing season is limiting factorforthe radialgrowth,and highestcorrelation（r=0.512,p<0.0001）between tree-ring width chronology and June temperature isfound.The mean temperature（March-September）may be the main limiting factorofPopuluseuphratica radialgrowth atsouthwestedge ofBadain Jaran Desert,and ithasaclearphysiologicalsignificance.

Key wordstree-ring;radialgrowth;Badain Jaran Desert;climatechange;Populuseuphratica

中圖分類號：P532

文獻標識碼：B

文章編號：1002-0799（2016）02-0077-05

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.012

收稿日期：2015-04-30；修回日期：2015-09-14

基金項目：科技部公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201206014）、國家自然科學基金（41205070）和中國沙漠氣象科學研究基金（Sqj2015010，Sqj2014014）。

作者簡介：秦莉（1985-），女（蒙古族），助理研究員，主要從事樹木年輪氣候學研究。E-mail：Qinhappy@sina.com

通訊作者：袁玉江（1955-），男，研究員，從事樹木年輪氣候學研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com